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工程師必看：MOSFET規(guī)格書深入分析

發(fā)布時間：2019-05-10 責(zé)任編輯：xueqi

【導(dǎo)讀】本文的目的就是為了和大家分享一下我對 MOSFET 規(guī)格書/datasheet 的理解和一些觀點(diǎn)，有什么錯誤、不當(dāng)?shù)牡胤秸埓蠹抑赋觯蚕Ｍ蠹曳窒硪幌伦约旱囊恍┛捶?，大家一起學(xué)習(xí)。
 
作為一個電子工程師、技術(shù)人員，相信大家對 MOSFET 都不會陌生。
 
工程師們要選用某個型號的 MOSFET，首先要看的就是規(guī)格書/datasheet，拿到 MOSFET 的規(guī)格書/datasheet 時，我們要怎么去理解那十幾頁到幾十頁的內(nèi)容呢？
 
本文的目的就是為了和大家分享一下我對 MOSFET 規(guī)格書/datasheet 的理解和一些觀點(diǎn)，有什么錯誤、不當(dāng)?shù)牡胤秸埓蠹抑赋?，也希望大家分享一下自己的一些看法，大家一起學(xué)習(xí)。
 
PS: 
1. 后續(xù)內(nèi)容中規(guī)格書/datasheet 統(tǒng)一稱為 datasheet
2. 本文中有關(guān) MOSFET datasheet 的數(shù)據(jù)截圖來自英飛凌 IPP60R190C6 datasheet
 
1、VDS
 
Datasheet 上電氣參數(shù)第一個就是 V(BR)DSS，即 DS 擊穿電壓，也就是我們關(guān)心的 MOSFET 的耐壓
 
 
此處V(BR)DSS的最小值是600V，是不是表示設(shè)計中只要MOSFET上電壓不超過600V MOSFET就能工作在安全狀態(tài)?
 
相信很多人的答案是“是!”，曾經(jīng)我也是這么認(rèn)為的，但這個正確答案是“不是!”
 
這個參數(shù)是有條件的，這個最小值600V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃時，MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態(tài)。
 
MOSFET V(BR)DSS是正溫度系數(shù)的，其實(shí)datasheet上有一張V(BR)DSS與Tj的關(guān)系圖，如下：
 
 
要是電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40℃甚至更低的話，MOSFET V(BR)DSS值<560V，這時候600V就已經(jīng)超過MOSFET耐壓了。  
 
所以在MOSFET使用中，我們都會保留一定的VDS的電壓裕量，其中一點(diǎn)就是為了考慮到低溫時MOSFET V(BR)DSS值變小了，另外一點(diǎn)是為了應(yīng)對各種惡例條件下開關(guān)機(jī)的VDS電壓尖峰。
 
2、ID    
 
 
相信大家都知道 MOSFET 最初都是按 xA, xV 的命名方式（比如 20N60~），慢慢的都轉(zhuǎn)變成Rds(on)和電壓的命名方式(比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on)~).
其實(shí)從電流到 Rds(on)這種命名方式的轉(zhuǎn)變就表明 ID 和 Rds(on)是有著直接聯(lián)系的，那么它們之間有什么關(guān)系呢？
 
在說明 ID 和 Rds(on)的關(guān)系之前，先得跟大家聊聊封裝和結(jié)溫：
 
1). 封裝：影響我們選擇 MOSFET 的條件有哪些？
 
a) 功耗跟散熱性能 -->比如：體積大的封裝相比體積小的封裝能夠承受更大的損耗；鐵封比塑封的散熱性能更好.
 
b) 對于高壓 MOSFET 還得考慮爬電距離 -->高壓的 MOSFET 就沒有 SO-8 封裝的，因?yàn)镚/D/S 間的爬電距離不夠
 
c) 對于低壓 MOSFET 還得考慮寄生參數(shù) -->引腳會帶來額外的寄生電感、電阻，寄生電感往往會影響到驅(qū)動信號，寄生電阻會影響到 Rds(on)的值
 
d) 空間/體積 -->對于一些對體積要求嚴(yán)格的電源，貼片 MOSFET 就顯得有優(yōu)勢了
 
2). 結(jié)溫：MOSFET 的最高結(jié)溫 Tj_max=150℃，超過此溫度會損壞 MOSFET，實(shí)際使用中建議不要超過 70%~90% Tj_max.
 
 
回到正題，MOSFET ID和Rds(on)的關(guān)系:
 
 
(1) 封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能(熱阻)之間的關(guān)系
 
(2) MOSFET通過電流ID產(chǎn)生的損耗
 
(1), (2)聯(lián)立，計算得到ID和Rds_on的關(guān)系
 
今天看到一篇文檔，上面有提到MOSFET的壽命是跟溫度有關(guān)的。（下圖紅色框中）
 
 
3、Rds（on）
 
 
從MOSFET Rds(on)與Tj的圖表中可以看到：Tj增加Rds(on)增大，即Rds(on)是正溫度系數(shù)，MOSFET的這一特性使得MOSFET易于并聯(lián)使用。
 
4、Vgs(th)
 
 
相信這個值大家都熟悉，但是Vgs(th)是負(fù)溫度系數(shù)有多少人知道，你知道嗎？(下面兩圖分別來自BSC010NE2LS和IPP075N15N3 G datasheet.)
 
 
相信會有很多人沒有注意到Vgs(th)的這一特性，這也是正常的，因?yàn)楦邏篗OSFET的datasheet中壓根就沒有這個圖，這一點(diǎn)可能是因?yàn)楦邏篗OSFET的Vgs(th)值一般都是2.5V以上，高溫時也就到2V左右。但對于低壓MOSFET就有點(diǎn)不一樣了，很多低壓MOSFET的Vgs(th)在常溫時就很低，比如BSC010NE2LS的Vgs(th)是1.2V~2V，高溫時最低都要接近0.8V了，這樣只要在Gate有一個很小的尖峰就可能誤觸發(fā)MOSFET開啟從而引起整個電源系統(tǒng)異常。
 
所以，低壓MOSFET使用時一定要留意Vgs(th)的這個負(fù)溫度系數(shù)的特性?。?/div>
 
5、Ciss, Coss, Crss
 
MOSFET 帶寄生電容的等效模型
 
 
Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd
 
Ciss, Coss, Crss的容值都是隨著VDS電壓改變而改變的，如下圖：
 
 
在 LLC 拓?fù)渲校瑴p小死區(qū)時間可以提高效率，但過小的死區(qū)時間會導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn) ZVS。因此選擇在 VDS 在低壓時 Coss 較小的 MOSFET 可以讓 LLC 更加容易實(shí)現(xiàn) ZVS，死區(qū)時間也可以適當(dāng)減小，從而提升效率。
 
6、Qg, Qgs, Qgd
 
 
從此圖中能夠看出：
1. Qg并不等于Qgs+Qgd?。?/div>
2. Vgs高，Qg大，而Qg大，驅(qū)動損耗大
 
7、SOA
 
SOA曲線可以分為4個部分：
1). Rds_on的限制，如下圖紅色線附近部分
 
 
此圖中：當(dāng)VDS=1V時，Y軸對應(yīng)的ID為2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時，Rds(on)約為0.5R.當(dāng)VDS=10V時，Y軸對應(yīng)的ID為20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時，Rds(on)約為0.5R.所以，此部分曲線中，SOA表現(xiàn)為Tj_max時RDS(on)的限制.
 
MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時的SOA，但實(shí)際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80℃，這時候就得想辦法把25℃或者80℃時的SOA轉(zhuǎn)換成實(shí)際Tc時的曲線。怎樣轉(zhuǎn)換呢？有興趣的可以發(fā)表一下意見......
 
2).最大脈沖電流限制，如下圖紅色線附近部分
 
 
此部分為MOSFET的最大脈沖電流限制，此最大電流對應(yīng)ID_pulse.
 
 
3). VBR(DSS)擊穿電壓限制，如下圖紅色線附近部分
 
 
此部分為MOSFET VBR(DSS)的限制，最大電壓不能超過VBR(DSS) ==>所以在雪崩時，SOA圖是沒有參考意義的
 
 
4). 器件所能夠承受的最大的損耗限制，如下圖紅色線附近部分
 
 
上述曲線是怎么來的？這里以圖中紅線附近的那條線（10us）來分析。
 
上圖中，1處電壓、電流分別為：88V, 59A，2處電壓、電流分別為：600V, 8.5A。
MOSFET要工作在SOA，即要讓MOSFET的結(jié)溫不超過Tj_max(150℃)，Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC為瞬態(tài)熱阻.
 
 
SOA圖中，D=0，即為single pulse，紅線附近的那條線上時間是10us即10^-5s，從瞬態(tài)熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10^-2
 
從以上得到的參數(shù)可以計算出：
1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃
2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃
 
MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時的SOA，但實(shí)際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80℃，這時候就得想辦法把25℃或者80℃時的SOA轉(zhuǎn)換成實(shí)際Tc時的曲線。怎樣轉(zhuǎn)換呢？
 
有興趣的可以發(fā)表一下意見~
 
把25℃時的SOA轉(zhuǎn)換成100℃時的曲線：
 
1). 在25℃的SOA上任意取一點(diǎn)，讀出VDS, ID,時間等信息
 
 
如上圖，1處電壓、電流分別為：88V, 59A, tp=10us
計算出對應(yīng)的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192 （a）
PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC -->此圖對應(yīng)為Tc=25℃ （b）
（a），（b）聯(lián)立，可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.024
 
2). 對于同樣的tp的SOA線上，瞬態(tài)熱阻ZthJC保持不變，Tc=100℃，ZthJC=0.024.
 
3). 上圖中1點(diǎn)電壓為88V，Tc=100℃時，PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083
從而可以算出此時最大電流為I=PD/VDS=2083/88=23.67A
 
4). 同樣的方法可以算出電壓為600V，Tc=100℃時的最大電流
5). 把電壓電流的坐標(biāo)在圖上標(biāo)出來，可以得到10us的SOA線，同樣的方法可以得到其他tp對應(yīng)的SOA（當(dāng)然這里得到的SOA還需要結(jié)合Tc=100℃時的其他限制條件）
 
這里的重點(diǎn)就是ZthJC，瞬態(tài)熱阻在同樣tp和D的條件下是一樣的，再結(jié)合功耗，得到不同電壓條件下的電流
 
另外一個問題，ZthJC/瞬態(tài)熱阻計算：
1. 當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時，怎么計算？
2. 當(dāng)tp<10us是，怎么計算？
1). 當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時：（其中，SthJC(t)是single pulse對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻）
 
 
2. 當(dāng)tp<10us時：
 
 
8、Avalanche
 
EAS：單次雪崩能量，EAR：重復(fù)雪崩能量，IAR：重復(fù)雪崩電流
 
 
雪崩時VDS,ID典型波形：
 
 
上圖展開后，如下：
 
 
MOSFET雪崩時，波形上一個顯著的特點(diǎn)是VDS電壓被鉗位，即上圖中VDS有一個明顯的平臺
 
MOSFET雪崩的產(chǎn)生：
 
 
在MOSFET的結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上是存在一個寄生三極管的，如上圖。在MOSFET的設(shè)計中也會采取各種措施去讓寄生三極管不起作用，如減小P+Body中的橫向電阻RB。正常情況下，流過RB的電流很小，寄生三極管的VBE約等于0，三極管是處在關(guān)閉狀態(tài)。雪崩發(fā)生時，如果流過RB的雪崩電流達(dá)到一定的大小，VBE大于三極管VBE的開啟電壓，寄生三極管開通，這樣將會引起MOSFET無法正常關(guān)斷，從而損壞MOSFET。
 
因此，MOSFET的雪崩能力主要體現(xiàn)在以下兩個方面：
 
1. 最大雪崩電流 ==>IAR
 
2. MOSFET的最大結(jié)溫Tj_max ==>EAS、EAR 雪崩能量引起發(fā)熱導(dǎo)致的溫升
 
1）單次雪崩能量計算：
 
 
上圖是典型的單次雪崩VDS,ID波形，對應(yīng)的單次雪崩能量為：
 
 
其中，VBR=1.3BVDSS, L為提供雪崩能量的電感
 
雪崩能量的典型測試電路如下：
 
 
計算出來EAS后，對比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（當(dāng)然前提是雪崩電流<IAR）同時，還得注意，EAS隨結(jié)溫的增加是減小的，如下圖：
 
 
2）重復(fù)雪崩能量 EAR：
 
 
上圖為典型的重復(fù)雪崩波形，對應(yīng)的重復(fù)雪崩能量為：
 
 
其中，VBR=1.3BVDSS.
 
計算出來EAR后，對比datasheet上的EAR值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（此處默認(rèn)重復(fù)雪崩電流<IAR），同時也得考慮結(jié)溫的影響
 
9、體內(nèi)二極管參數(shù)
 
 
VSD，二極管正向壓降 ==>這個參數(shù)不是關(guān)注的重點(diǎn),trr，二極管反向回復(fù)時間 ==>越小越好，Qrr，反向恢復(fù)電荷 ==>Qrr大小關(guān)系到MOSFET的開關(guān)損耗，越小越好，trr越小此值也會小
 
 
10、不同拓?fù)?MOSFET 的選擇
 
針對不同的拓?fù)?，對MOSFET的參數(shù)有什么不同的要求呢？怎么選擇適合的MOSFET？
 
歡迎大家發(fā)表意見，看法 
 
1). 反激：
反激由于變壓器漏感的存在，MOSFET會存在一定的尖峰，因此反激選擇MOSFET時，我們要注意耐壓值。通常對于全電壓的輸入，MOSFET耐壓(BVDSS)得選600V以上，一般會選擇650V。
 
若是QR反激，為了提高效率，我們會讓MOSFET開通時的谷底電壓盡量低，這時需要取稍大一些的反射電壓，這樣MOSFET的耐壓值得選更高，通常會選擇800V MOSFET。
 
2). PFC、雙管正激等硬開關(guān)：
 
a) 對于PFC、雙管正激等常見硬開關(guān)拓?fù)洌琈OSFET沒有像反激那么高的VDS尖峰，通常MOSFET耐壓可以選500V, 600V。
 
b) 硬開關(guān)拓?fù)銶OSFET存在較大的開關(guān)損耗，為了降低開關(guān)損耗，我們可以選擇開關(guān)更快的MOSFET。而Qg的大小直接影響到MOSFET的開關(guān)速度，選擇較小Qg的MOSFET有利于減小硬開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)損耗
 
3). LLC諧振、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)洌?/div>
 
LLC、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)涞能涢_關(guān)是通過諧振，在MOSFET開通前讓MOSFET的體二極管提前開通實(shí)現(xiàn)的。由于二極管的提前導(dǎo)通，在MOSFET開通時二極管的電流存在一個反向恢復(fù)，若反向恢復(fù)的時間過長，會導(dǎo)致上下管出現(xiàn)直通，損壞MOSFET。因此在這一類拓?fù)渲?，我們需要選擇trr，Qrr小，也就是選擇帶有快恢復(fù)特性的體二極管的MOSFET。
 
4). 防反接，Oring MOSFET
 
這類用法的作用是將MOSFET作為開關(guān)，正常工作時管子一直導(dǎo)通，工作中不會出現(xiàn)較高的頻率開關(guān)，因此管子基本上無開關(guān)損耗，損耗主要是導(dǎo)通損耗。選擇這類MOS時，我們應(yīng)該主要考慮Rds(on)，而不去關(guān)心其他參數(shù)。
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